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一種動感單車虛擬漫游系統(tǒng)和虛擬漫游實現(xiàn)方法與流程

文檔序號:12047467閱讀:2454來源:國知局
一種動感單車虛擬漫游系統(tǒng)和虛擬漫游實現(xiàn)方法與流程

本發(fā)明涉及虛擬漫游系統(tǒng),尤其是涉及了一種動感單車虛擬漫游系統(tǒng)和虛擬漫游實現(xiàn)方法。



背景技術(shù):

隨著運動健體理念的普及,騎自行車鍛煉身體已經(jīng)成為都市人的潮流和風(fēng)尚。但是,天公不作美,在雨雪風(fēng)霜、霧霾蔽日的天氣里,人們就無法在風(fēng)景優(yōu)美的室外環(huán)境中騎車鍛煉了。在室內(nèi)或健身房里,人們騎著普通的腳踏車鍛煉身體,會覺得枯燥乏味、興趣全無,實在是棄之可惜,食之無味。

傳統(tǒng)的虛擬漫游是在固定速度下的漫游,而騎車漫游時速度是不斷動態(tài)變化的。當(dāng)騎車速度發(fā)生變化時,如果漫游速度保持不變,就會影響用戶的真實感體驗。

專利CN 104794286A用貝塞爾曲線構(gòu)造路線封閉曲線,需要調(diào)整封閉曲線中各關(guān)鍵控制點的位置、法線方向和斜率,才能形成路線封閉曲線(即漫游路徑)。這種方法不僅增加了漫游路徑生成的計算量,而且還需要手工調(diào)整漫游路徑的相關(guān)參數(shù),導(dǎo)致漫游路徑的腳本不能重復(fù)使用。

近年來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬漫游和騎車鍛煉很自然地就結(jié)合在一起,擺脫了騎車鍛煉受到天氣、場地等條件的制約,并融入教育、互動、環(huán)保、娛樂、趣味和科學(xué)健身等內(nèi)涵,應(yīng)用前景十分廣闊。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

為了解決背景技術(shù)中存在的問題,本發(fā)明提出了一種動感單車虛擬漫游系統(tǒng)和虛擬漫游實現(xiàn)方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:

一、一種動感單車虛擬漫游系統(tǒng):

包括動感單車、測速裝置、數(shù)據(jù)通訊模塊、虛擬漫游場景和漫游路徑生成模塊,用騎行速度數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬漫游場景的視點沿著漫游路徑運動,實現(xiàn)動感單車的虛擬漫游,其中:

所述的測速裝置分別與動感單車和數(shù)據(jù)通訊模塊相連,實時獲取動感單車的騎行速度數(shù)據(jù),并將騎行速度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)通訊模塊;

所述的數(shù)據(jù)通訊模塊連接虛擬漫游設(shè)備,將騎行速度數(shù)據(jù)輸入虛擬漫游設(shè)備的虛擬漫游場景中,虛擬漫游場景通過漫游路徑生成模塊的曲線計算方法擬合獲得漫游路徑。

所述的測速裝置采用安裝在動感單車車輪上的電磁傳感器,電磁傳感器實時測得動感單車車輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù),進而計算獲得動感單車的騎行速度數(shù)據(jù)。

所述的數(shù)據(jù)通訊模塊采用計算機RS232串口或USB串口的有線通信,或者采用無線網(wǎng)通信或藍牙通信,把動感單車的騎行速度數(shù)據(jù)實時傳送給虛擬漫游場景。

所述的漫游路徑生成模塊運用Catmull-Rom曲線插值算法,利用虛擬漫游場景中原有的漫游道路控制點,實時計算關(guān)鍵插值點,連接關(guān)鍵插值點后擬合獲得虛擬漫游場景中的漫游路徑。

本發(fā)明對于任意Unity3d漫游場景,可快速生成漫游道路并直接擬合出漫游路徑。

二、一種動感單車虛擬漫游實現(xiàn)方法:

利用測速裝置實時獲取動感單車的騎行速度數(shù)據(jù),并將騎行速度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)通訊模塊,數(shù)據(jù)通訊模塊將騎行速度數(shù)據(jù)輸入虛擬漫游設(shè)備的虛擬漫游場景中,虛擬漫游場景通過漫游路徑生成模塊的曲線計算方法擬合獲得漫游路徑,用騎行速度數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬漫游場景的視點沿著漫游路徑運動,從而實現(xiàn)動感單車的虛擬漫游。

所述的漫游路徑生成模塊運用Catmull-Rom曲線插值算法,利用虛擬漫游場景中原有的漫游道路控制點,實時計算關(guān)鍵插值點,連接關(guān)鍵插值點后擬合獲得虛擬漫游場景中的漫游路徑。

通過曲線計算方法擬合獲得漫游路徑具體如下:

1)采用Unity 3D的EasyRoads3D插件工具,在虛擬漫游場景中,在原有漫游道路上間隔設(shè)置多個控制點,將所有控制點相依次連接,并閉合形成封閉路徑;

2)采用以下方式構(gòu)建一條與漫游道路重合的漫游路線。

2.1)Unity 3D中采用笛卡爾左手坐標系,Y軸坐標方向垂直于虛擬漫游場景地面并指向上方,X軸坐標方向和Z軸坐標方向為平行于虛擬漫游場景地面的兩個相垂直的方向;

2.2)將步驟1)獲得的所有控制點賦值轉(zhuǎn)化為路徑點P1、P2、。。。、Pn,n表示控制點的總數(shù),并在賦值轉(zhuǎn)化后的最后路徑點后面增加一個XYZ坐標值均等于第一個路徑點坐標值的路徑點Pn+1;

2.3)在步驟2.2)獲得的所有路徑點的首尾增加兩個輔助點P0和Pn+2,首尾兩個輔助點的坐標位置采用以下方式計算:

P0=2P1-P2

Pn+2=2Pn+1–Pn

其中,P0為在路徑點之首的輔助點,Pn+2為在路徑點之尾的輔助點,P1為步驟2.2)獲得的所有路徑點中的第一個路徑點,P2為步驟2.2)獲得的所有路徑點中的第二個路徑點,Pn+1為步驟2.2)賦值轉(zhuǎn)化后增加的一個路徑點,Pn為步驟2.2)賦值轉(zhuǎn)化后所有路徑點中的最后一個路徑點;

2.4)采用以下公式的Catmull-Rom曲線算法,對步驟2.3)獲得的所有路徑點進行曲線插值處理,得到多個插值點,以折線方式依次連接各個插值點,將曲線運動轉(zhuǎn)為插值點到插值點之間的直線運動,獲得漫游路徑:

其中,P(s)為路徑點Pi-1和路徑點的插值點,Pi-2、Pi-1、Pi和Pi+1均為依次相鄰的路徑點,i為路徑點的序號,u表示曲線插值的比率參數(shù),即插值點在Pi-1到Pi的百分比,當(dāng)u=0時,插值點在Pi-1處,當(dāng)u=1時,插值點在Pi處。τ表示曲線張力參數(shù)。

具體實施中,u取值范圍為0~1,τ一般取為1/2,通過調(diào)整u的值來調(diào)整插值點位置及個數(shù)。

優(yōu)選地,在所述步驟1)在原有漫游道路上間隔設(shè)置多個控制點時,除首尾兩個控制點外,將其余控制點設(shè)置在曲率大的地方。曲率大是指如附圖4所示的P0、P3點之間道路的彎道處,插值是在P1,P2點之間。

所述步驟2.2)中的賦值轉(zhuǎn)化是將控制點的Y軸坐標加上漫游視角高度常數(shù)作為路徑點的Y軸坐標,路徑點的X軸坐標、Z軸坐標分別和控制點X軸坐標、Z軸坐標相同。

和現(xiàn)有的系統(tǒng)和方法相比,本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果是:

本發(fā)明能快速地完成虛擬漫游道路的搭建工作,簡易可行,并且方便修改,降低了道路搭建的工作量。

本發(fā)明運用Catmull-Rom曲線算法,只需要利用搭建虛擬漫游道路時用到的控制點位置,不需調(diào)整控制點的法線方向和斜率,即可實時計算出關(guān)鍵插值點,擬合出虛擬漫游場景中的漫游路徑,大大減小了構(gòu)建漫游路徑曲線的工作量,而且Catmull-Rom曲線算法的腳本能夠重復(fù)利用。

本發(fā)明運用的Catmull-Rom曲線算法計算量小,所生成的漫游路徑平滑性好,提升了用戶騎車漫游的沉浸感。

本發(fā)明適合用于多種健身騎車場所,比如,家庭騎車、健身房騎車、VR體驗館騎車、博物館游覽騎車、風(fēng)景名勝游覽騎車等。

附圖說明

圖1是實施例虛擬漫游設(shè)備整體圖。

圖2是實施例建立漫游道路的控制點示意圖。

圖3是實施例漫游道路貼圖生成圖。

圖4是實施例Catmull-Rom曲線插值示意圖。

圖5是實施例湖邊公路場景的整個虛擬漫游場景最終效果示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示,本發(fā)明首先在虛擬場景生成虛擬漫游道路,接著運用曲線算法,擬合出沿著虛擬漫游道路的漫游路徑,然后通過測速裝置實時獲取用戶騎動感單車健身時的騎行速度后,經(jīng)數(shù)據(jù)通訊模塊把騎行速度數(shù)據(jù)輸入虛擬漫游場景中,最后騎行速度數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬漫游場景的視點沿著漫游路徑運動,實現(xiàn)動感單車的虛擬漫游。

本發(fā)明的實施例及其實施過程具體如下:

1)首先進行漫游道路設(shè)計,根據(jù)已有的虛擬場景構(gòu)建一條道路作為漫游道路,用于控制漫游時的路線。

采用以下方式建立:在本實施例中,如附圖2所示,采用Unity 3D中的EasyRoads3D插件工具,在虛擬漫游場景的漫游道路中,放置若干控制點(如附圖2所示的蘑菇型標記點),控制點會作為Markers的子對象并自動命名為Marker0001,Marker0002,Marker0003等。在EasyRoads3D中將路徑設(shè)置為閉合,使之成為一條封閉的路徑,調(diào)整控制點位置,使道路彎曲弧度更自然,選擇合適的道路貼圖,生成漫游道路,如圖3所示。

2)采用以下方式構(gòu)建一條與漫游道路重合的漫游路線,其中所用坐標值均處于笛卡爾左手坐標系中。

2.1)利用Unity的Find函數(shù),查找到Markers對象,然后獲取Markers的所有子對象Marker0001,Marker0002,Marker0003等(不獲取孫對象),將控制點Marker0001等的位置坐標賦值給路徑點P1,P2……Pn。由于漫游視角需高于路面,因此其中路徑點的Y軸坐標需在控制點的Y坐標上加上漫游視角高度常數(shù),路徑點的X、Z軸坐標和控制點X、Z軸坐標相同,即利用漫游道路的n個控制點(如附圖2所示的蘑菇型標記點)坐標賦值轉(zhuǎn)化獲得曲線插值所需要的前n個已知路徑點坐標。因?qū)嵤├枰h(huán)漫游,則增加第n+1個路徑點并使其坐標等于第一個路徑點坐標。

2.2)獲得所有路徑點坐標后,利用Catmull-Rom曲線算法,進行曲線插值,得到多個插值點。由于Catmull-Rom曲線不經(jīng)過首尾兩個點,需要構(gòu)建首尾兩個輔助點P0和Pn+2。其中,P0=2P1-P2,Pn+2=2Pn+1–Pn。然后,利用Catmull-Rom曲線算法將曲線運動,轉(zhuǎn)為插值點到插值點之間的直線運動。其中插值點個數(shù)根據(jù)設(shè)備(電腦,手機或pad等)性能及路徑曲率大小合理設(shè)置。

其中,P(s)為插值點,Pi為已知路徑點(本實施例中可以直接利用漫游道路的控制點計算得出),u取值為0.5,τ取為1/2。

Catmull-Rom曲線插值方式如圖4所示。假設(shè)在P1,P2之間插入10個點,P0,P1,P2,P3坐標點已知,則取τ值為1/2,并依次將u取值1/10,2/10,3/10……1,代入上述公式,則可求得插入的10個點的坐標值。

2.3)將上步驟的曲線插值過程拖到Camera對象后,不需進行其他操作,當(dāng)有速度傳入時,即可快速實現(xiàn)曲線路徑的平滑漫游。

由于曲線插值算法直接利用了創(chuàng)建道路時的控制點,此曲線插值腳本和創(chuàng)建道路插件一起可重復(fù)利用。創(chuàng)建漫游道路后,將曲線插值腳本拖到Camera對象上即完成了漫游路線的擬合。

由此本發(fā)明可高效快速地創(chuàng)建漫游道路并直接擬合出漫游路線,其將創(chuàng)建漫游道路和擬合漫游路線兩個步驟,融合到一起。相比現(xiàn)有方法,大大減少了工作量。

3)利用測速裝置實時獲取動感單車的騎行速度。

在本實施例中,所述的測速裝置為電磁傳感器測速裝置,能夠?qū)崟r測得動感單車的騎行速度數(shù)據(jù),無須改變動感單車的機械結(jié)構(gòu),能夠便捷地安裝在多種動感單車上。

4)通過數(shù)據(jù)通訊模塊把騎行速度輸入虛擬漫游場景,驅(qū)動場景的視點以騎行速度沿虛擬漫游路徑漫游。

在本實施例中,所述的通訊模塊為藍牙通信,可以把動感單車的騎行速度數(shù)據(jù)實時無線傳送給虛擬漫游場景,適用于各種動感單車。

如圖5所示,實施例的虛擬漫游場景為Unity 3D場景,運行在移動終端PAD上,PAD固定放置在用戶的視線正前方,能降低用戶的使用成本,方便用戶獲得良好的視聽反饋。

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